[发明专利]一种微小型旋翼无人飞行器旋翼翼型的设计方法及产品

说明书

本发明公开了一种微小型旋翼无人飞行器旋翼翼型的设计方法及产品，设计方法结合了基于代理模型的高效优化算法、基于自由变形技术的外形参数化方法、基于径向基函数的网格变形方法、基于雷诺平均方程的气动性能计算方法。首先确定设计工况，根据螺旋桨的主要运行工况，及翼型在桨叶上所处的径向位置，确定翼型的来流状态，即来流马赫数、雷诺数、迎角；其次确定设计指标：尽可能大的升阻比。根据上述方法，以Eppler 387为基准翼型，设计上表面整个曲率上凸，下表面曲率前段下凹、后段上凸的翼型，其相对厚度较小、后段上表面较平坦、整体弯度较大，下表面前段明显内凹，具有较低的总阻力系数、较高的升力系数，从而具有较高的升阻比，提高气动效率。

技术领域

本发明涉及一种微小型旋翼无人飞行器，具体涉及一种微小型旋翼无人飞行器旋翼翼型的设计方法及产品。

背景技术

众所周知，微小型旋翼无人飞行器在诸多领域都发挥着重要的作用。这类飞行器通过电机带动螺旋桨旋转来产生垂直于旋转平面的拉力，通过调节不同螺旋桨的拉力大小值来实现飞行器的悬停、前飞、上升等动作。螺旋桨的拉力和扭矩大小决定着螺旋桨的气动效率，而螺旋桨的气动效率则是飞行器巡航时间的关键因素。与固定翼机翼类似，构成螺旋桨三维曲面外形的基本元素是叶素，即沿着桨叶径向的微小片段。每一个叶素都可以看成一个二维翼型，因此，翼型的形状对螺旋桨的气动性能起着决定性的作用。

传统的直升机旋翼的作用是产生向上的拉力以克服直升机自身的重力，以及向前的推力以克服直升机前进过程中产生的阻力。此外，直升机旋翼存在复杂的运动，除绕旋转轴旋转外，还包括挥舞运动、变距运动、摆振运动等。传统的螺旋桨飞机螺旋桨的作用是产生向前的推力以克服飞机前进过程中的阻力，螺旋桨的运动仅仅是绕旋转轴的旋转运动。

微小型旋翼飞行器的旋翼(螺旋桨)既不同于传统的直升机旋翼，也不同于传统螺旋桨飞机的螺旋桨，而是兼顾上述两者的特点：旋翼的作用与传统直升机旋翼相同，而桨叶运动方式与传统螺旋桨飞机的螺旋桨相同。这就使得这类旋翼的气动设计存在特殊性：(1)由于要提供较大的拉力(用以克服重力)，故旋翼的桨盘面积需要足够大，也就是说桨叶的直径往往较大(或者说桨叶的展弦比较大)，这与传统直升机旋翼类似；(2)由于桨叶的运动仅仅是绕旋转轴的旋转运动，并无变距运动(直升机通过变距进行操纵，而多旋翼飞行器通过调节不同旋翼的气动力来实现控制)，因此桨叶翼型无需采用像直升机旋翼那样存在苛刻的俯仰力矩约束的旋翼翼型，而是可以采用像传统的螺旋桨飞机类似的螺旋桨翼型。因此，对于微小型旋翼的气动设计，其平面形状和布局应该与传统直升机旋翼类似，而剖面形状和布局应该与螺旋桨类似，即翼型是螺旋桨翼型而非旋翼翼型。对于微小型螺旋桨的气动设计，其设计目标应该是尽可能产生大的拉力以克服重力或提供推力，并尽可能产生小的扭矩以降低功耗。对于旋翼剖面(叶素或翼型)，其设计目标应该是尽可能产生大的升力和尽可能小的阻力，或者是尽可能大的升阻比。

微小型螺旋桨翼型与传统尺寸螺旋桨翼型仍然有着显著的差异：(1)这类螺旋桨的尺寸小，直径往往只有十几寸甚至几寸，而弦长一般仅有几厘米；(2)这类螺旋桨相对于传统飞机的螺旋桨速度低得多，其流动马赫数一般小于0.3，属于不可压缩流动范围，因此，其翼型的雷诺数极低，仅有十万左右甚至更低。目前，针对这类螺旋桨的翼型较少，且公开的翼型的升阻比较低，从而使螺旋桨的气动效率不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低速小尺寸条件下的高升阻比旋翼翼型，可应用于三维旋翼(螺旋桨)叶片，以提高旋翼气动效率。

本发明提供的这种微小型旋翼无人飞行器旋翼翼型的设计方法，包括以下步骤：

(1)根据三维旋翼的运行工况，确定60％～80％剖面处二维翼型的运行工况并计算出所需翼型的设计状态，根据翼型的设计状态选定基准翼型；

(2)生成基准翼型所需的计算网格，采用计算流体力学方法计算基准翼型在设计状态的气动性能；

(3)确定设计空间，使用试验设计方法在设计空间内选取初始样本点；